محققان کمبریج نشان دادهاند که گیاهان میتوانند شیمی سطح گلبرگهای خود را تنظیم کنند تا سیگنالهای رنگین کمانی قابل مشاهده برای زنبورها ایجاد کنند.
در حالی که بیشتر گل ها رنگدانه هایی تولید می کنند که رنگارنگ به نظر می رسند و به عنوان یک نشانه بصری برای گرده افشان ها عمل می کنند، برخی از گل ها نیز الگوهای سه بعدی میکروسکوپی روی سطوح گلبرگ خود ایجاد می کنند. این خطوط موازی طول موج های خاصی از نور را منعکس می کنند تا یک اثر نوری رنگین کمانی ایجاد کنند که همیشه برای چشم انسان قابل مشاهده نیست، اما برای زنبورها قابل مشاهده است.
رقابت زیادی برای جلب توجه گرده افشان ها وجود دارد و - با توجه به اینکه 35 درصد از محصولات جهان به گرده افشان های حیوانات متکی هستند - درک اینکه چگونه گیاهان الگوهای گلبرگ هایی را می سازند که گرده افشان ها را خوشحال می کند، می تواند برای هدایت تحقیقات و سیاست های آینده در کشاورزی، تنوع زیستی و حفاظت مهم باشد.
تحقیقاتی که توسط تیم پروفسور بورلی گلاور در دپارتمان علوم گیاهی کمبریج هدایت میشود، نشان میدهد که الگوی گلبرگها بیش از آنچه که به نظر میرسد وجود دارد. نتایج قبلی نشان داد که کمانش مکانیکی نازک، محافظ است کوتیکول لایه روی سطح گلبرگ های جوان در حال رشد می تواند باعث تشکیل برجستگی های میکروسکوپی شود.
این برجستگی های نیمه مرتب به عنوان توری های پراش عمل می کنند که طول موج های مختلف نور را منعکس می کنند تا یک اثر هاله آبی رنگین کمانی ضعیف در طیف آبی-UV ایجاد کنند که زنبورها می توانند ببینند. با این حال، اینکه چرا این خطوط فقط در برخی از گلها یا حتی فقط در قسمتهای خاصی از گلبرگها تشکیل میشوند، مشخص نشد.
ادویج مویرود، که این تحقیق را در آزمایشگاه پروفسور گلاور آغاز کرد و اکنون گروه تحقیقاتی خود را در آزمایشگاه Sainsbury رهبری میکند، هیبیسکوس بومی استرالیا، خطمی ونیز (Hibiscus trionum) را به عنوان گونهای مدل جدید توسعه داده است تا بفهمد چگونه و چه زمانی. این نانوساختارها توسعه می یابند.
دکتر مویرود گفت: «مدل اولیه ما پیشبینی میکرد که چقدر سلولها رشد میکنند و این سلولها چقدر کوتیکول میسازند، فاکتورهای کلیدی برای کنترل تشکیل رگهها هستند، اما وقتی شروع به آزمایش مدل با استفاده از آن کردیم. کار تجربی در گل خطمی ونیز متوجه شدیم که تشکیل آنها نیز به شدت به شیمی کوتیکول وابسته است، که بر نحوه واکنش کوتیکول به نیروهایی که باعث کمانش میشوند تأثیر میگذارد.
سوال بعدی که میخواهیم بررسی کنیم این است که چگونه شیمیهای مختلف میتوانند خواص مکانیکی کوتیکول را به عنوان یک ماده سازنده نانوساختار تغییر دهند. ممکن است ترکیبات شیمیایی مختلف منجر به یک کوتیکول با معماری متفاوت یا با سفتی متفاوت شود و در نتیجه روشهای متفاوتی برای واکنش به نیروهایی که سلولها با رشد گلبرگ تجربه میکنند، شود.
این پروژه نشان داد که ترکیبی از فرآیندها وجود دارد که با هم کار می کنند و به گیاهان اجازه می دهند تا سطوح خود را شکل دهند. دکتر مویرود افزود: "گیاهان شیمیدانان بسیار خوبی هستند و این نتایج نشان می دهد که چگونه آنها می توانند به طور دقیق شیمی کوتیکول خود را تنظیم کنند تا بافت های متفاوتی را روی گلبرگ های خود ایجاد کنند. الگوهای تشکیل شده در مقیاس میکروسکوپی می توانند طیف وسیعی از عملکردها را انجام دهند، از ارتباط با گرده افشان ها تا دفاع در برابر گیاهخواران یا پاتوژن ها.
آنها نمونههای برجستهای از تنوع تکاملی هستند و با ترکیب آزمایشها و مدلسازی محاسباتی، ما شروع به درک بهتری از نحوه ساخت گیاهان میکنیم.»
یافته ها در منتشر خواهد شد زیست شناسی کنونی.
«این بینش برای تنوع زیستی و کار حفاظت پروفسور گلوور، که همچنین مدیر باغ گیاه شناسی دانشگاه کمبریج است، گفت، زیرا آنها به توضیح نحوه تعامل گیاهان با محیط خود کمک می کنند.
به عنوان مثال، گونه هایی که نزدیک به هم هستند اما در مناطق جغرافیایی مختلف رشد می کنند، می توانند الگوهای گلبرگ بسیار متفاوتی داشته باشند. درک اینکه چرا الگودهی گلبرگ ها متفاوت است و این که چگونه می تواند بر رابطه بین گیاهان و گرده افشان های آنها تأثیر بگذارد، می تواند به اطلاع رسانی بهتر سیاست ها در مدیریت آینده سیستم های زیست محیطی و حفاظت از تنوع زیستی کمک کند.
بررسی عواملی که باعث ایجاد الگوی سه بعدی گلبرگ می شود
محققان رویکردی گام به گام برای تحقیقات در پیش گرفتند. آنها ابتدا رشد گلبرگ ها را مشاهده کردند و متوجه شدند که الگوهای کوتیکول زمانی ظاهر می شوند که سلول ها دراز می شوند، که نشان می دهد رشد مهم است. آنها سپس تعیین کردند که آیا اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مرتبط با رشد، مانند گسترش سلول و ضخامت کوتیکول، می تواند الگوهای مشاهده شده را به اندازه کافی پیش بینی کند یا خیر، و دریافتند که نمی توانند. آنها سپس یک گام به عقب برداشتند تا سعی کنند آنچه را که گم شده است شناسایی کنند.
خواص یک ماده، چه غیر آلی باشد و چه تولید شده توسط سلول های زنده مانند کوتیکول، احتمالاً به ماهیت شیمیایی این ماده بستگی دارد. با در نظر گرفتن این موضوع، محققان تصمیم گرفتند به شیمی کوتیکول نگاه کنند و دریافتند که در واقع، این یک عامل کنترل کننده است. برای انجام این کار، آنها ابتدا از یک روش جدید در زمینه شیمی برای تجزیه و تحلیل ترکیب کوتیکول در نقاط بسیار خاص در سراسر گلبرگ استفاده کردند. این نشان داد که نواحی گلبرگ با بافت متضاد (صاف یا مخطط) نیز در شیمی سطح آنها متفاوت است.
در مقایسه با کوتیکول صاف، آنها دریافتند که کوتیکول مخطط دارای سطوح بالای دی هیدروکسی پالمیتیک اسید و موم و سطوح پایینی از ترکیبات فنلی است. برای آزمایش اینکه آیا شیمی کوتیکول واقعاً مهم است، آنها سپس یک رویکرد تراریخته را در Hibiscus برای تغییر شیمی کوتیکول به طور مستقیم در گیاهان، با استفاده از ژنهایی شبیه به ژنهایی که برای کنترل تولید مولکولهای کوتیکول در گیاه مدل متفاوتی به نام Arabidopsis شناخته میشوند، پیشگام کردند.
این نشان داد که بافت کوتیکول را می توان بدون تغییر رشد سلولی، به سادگی با اصلاح ترکیب کوتیکول اصلاح کرد. چگونه شیمی کوتیکول می تواند تا شدن سه بعدی آن را کنترل کند؟ محققان فکر می کنند که تغییر در کوتیکول شیمی خواص مکانیکی کوتیکول را تحت تأثیر قرار می دهد، زیرا، حتی در صورت کشیده شدن با استفاده از یک دستگاه خاص، گلبرگ های تراریخته با کوتیکول صاف بر خلاف گلبرگ های گیاهان وحشی صاف باقی می مانند.